(57)【要約】【課題】ガラスに高い流動性を持たせて低い圧力でガラス素材を成形する。【解決手段】対向配置された一対の上型２５及び下型２６の間にガラス素材２０を配置し、加熱・プレスして光学素子を製造する光学素子の製造方法において、  上型２５及び下型２６とガラス素材２０の温度を屈伏点以上かつ軟化点未満となるように等温度に加熱する加熱工程と、上型２５及び下型２６とガラス素材２０の温度が等温度に達した後、ガラス素材２０の流動性が揃うまで所定時間Ｔ（ｍｉｎ）以上保持する加熱保持工程と、所定時間Ｔ（ｍｉｎ）以上保持した後、ガラス素材２０を押圧成形するプレス工程とを有する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向配置された一対の成形型の間にガラス素材を配置し、加熱・プレスして光学素子を製造する光学素子の製造方法において、
前記成形型と前記ガラス素材の温度を屈伏点以上かつ軟化点未満となるように等温度に加熱する加熱工程と、
前記成形型と前記ガラス素材の温度が前記等温度に達した後、前記ガラス素材の流動性が揃うまで前記等温度で所定時間以上保持する加熱保持工程と、
前記所定時間以上保持した後、前記ガラス素材を押圧成形するプレス工程と、を有する
ことを特徴とする光学素子の製造方法。
【請求項２】
前記ガラス素材は、辺および直径の少なくとも一方を有する形状であり、
前記辺および直径の少なくとも一方の直線寸法の中で最短寸法をｄ（ｍｍ）とし、
前記所定時間をＴ（ｍｉｎ）としたとき、
Ｔ（ｍｉｎ）＝３．４６１５ｄ−４．１０２６
の関係を有する
ことを特徴とする請求項１に記載の光学素子の製造方法。
【請求項３】
前記ガラス素材の最小厚み寸法をｄ（ｍｍ）とし、
前記所定時間をＴ（ｍｉｎ）としたとき、
Ｔ（ｍｉｎ）＝３．４６１５ｄ−４．１０２６
の関係を有する
ことを特徴とする請求項１に記載の光学素子の製造方法。
【請求項４】
前記ガラス素材の形状が円柱形状である
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光学素子の製造方法。
【請求項５】
前記ガラス素材の形状が球形状である
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光学素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、対向配置された一対の成形型の間にガラス素材を配置し、加熱・プレスして光学素子を製造する光学素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、成形サイクルタイムを短縮して生産性の向上を図り、高精度の成形品を得るために、成形素材が所望の温度に達すると、直ちに加圧工程に入り高い荷重で成形が行われていた。しかし、流動性が悪い状態で成形素材に高い加圧力を加え、無理に変形させると、成形できる形状に制約があるとともに、ワレや内部応力が発生する等の問題が発生した。
【０００３】
これを解決するため、例えば特許文献１において、加熱されたガラス素材を上型の自重によって成形した後、上型を取り去り、次いで成形品を取り出すという技術が提案された。
【特許文献１】特開平１−２５７１４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１では、型自重で変形させる温度まで加熱しなければならない。すなわち、ガラス素材の温度は型自重で変形する温度まで上げなければならず、加圧されながら加熱するため変形しやすいところから変形してしまうため成形品と近似した形状にプリフォームされたガラスを用いないと所望の形状が得られないという課題があった。
【０００５】
本発明は斯かる課題を解決するためになされたもので、ガラスに高い流動性を持たせてから低い圧力でガラス素材を成形することで成形品との形状が大きく異なり、大きな変形量を必要とする場合にも対応する光学素子の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記目的を達成するため、請求項１に係る発明は、
対向配置された一対の成形型の間にガラス素材を配置し、加熱・プレスして光学素子を製造する光学素子の製造方法において、
前記成形型と前記ガラス素材の温度を屈伏点以上かつ軟化点未満となるように等温度に加熱する加熱工程と、
前記成形型と前記ガラス素材の温度が前記等温度に達した後、前記ガラス素材の流動性が揃うまで前記等温度で所定時間以上保持する加熱保持工程と、
前記所定時間以上保持した後、前記ガラス素材を押圧成形するプレス工程と、を有することを特徴とする。
【０００７】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の光学素子の製造方法において、
前記ガラス素材は、辺および直径の少なくとも一方を有する形状であり、
前記辺および直径の少なくとも一方の直線寸法の中で最短寸法をｄ（ｍｍ）とし、
前記所定時間をＴ（ｍｉｎ）としたとき、
Ｔ（ｍｉｎ）＝３．４６１５ｄ−４．１０２６
の関係を有することを特徴とする。
【０００８】
請求項３に係る発明は、請求項１に記載の光学素子の製造方法において、
前記ガラス素材の最小厚み寸法をｄ（ｍｍ）とし、
前記所定時間をＴ（ｍｉｎ）としたとき、
Ｔ（ｍｉｎ）＝３．４６１５ｄ−４．１０２６
の関係を有するとを特徴とする
請求項４に係る発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の光学素子の製造方法において、
前記ガラス素材の形状が円柱形状であることを特徴とする。
【０００９】
請求項５に係る発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の光学素子の製造方法において、
前記ガラス素材の形状が球形状であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、ガラスに高い流動性を持たせて低い圧力でガラス素材を成形することができる。これにより、成形品との形状が大きく異なり、大きな変形量を必要とする場合にも対応できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面に基づき本発明の実施の形態を説明する。
図１は、光学素子の製造装置の全体構成を示す図である。
この製造装置１０は、周囲を筐体１１に覆われた成形室１２と、この成形室１２に配設され型セット１４をプレスするプレス機構１５とを有している。なお、成形室１２には、型セット１４を搬入・搬出する不図示の搬入口と搬出口が設けられている。
【００１２】
成形室１２を覆う筐体１１の側壁には加熱ヒータ１８が埋設されている。側壁からの熱は、対流及び輻射により移動して室内の雰囲気と型セット１４を均等に加熱する。こうして、加熱ヒータ１８により、型セット１４とその内部のガラス素材２０との温度を等しい温度（等温度）に設定することができるようになっている。なお、加熱装置としては加熱ヒータ１８による加熱に限らず、型セット１４とガラス素材２０の温度とを等温に加熱できる装置であればよい。
【００１３】
また、筐体１１の上壁には、ガス導入口２２とガス排出口２３が設けられている。このガス導入口２２から、窒素ガス（Ｎ２ガス）等の非酸化性ガスが導入されて、成形室１２内の雰囲気を窒素ガスで満たすことができる。こうして、型セット１４及びガラス素材２０と酸素との接触が絶たれ、ガラス素材２０等の酸化を防止することができる。
【００１４】
プレス機構１５は、エアシリンダ１６と、その作動ロッド１６ａの先端に固定された加圧プレート１７と、を有している。加圧プレート１７は、エアシリンダ１６により上下（対向）方向に駆動される。そして、エアシリンダ１６による加圧プレート１７の昇降動作により、型セット１４の挟持、挟圧等の動作が行われる。
【００１５】
次に、型セット１４の構成について説明する。
型セット１４は、上型（成形型）２５、下型（成形型）２６、及び円筒形状のスリーブ（胴型）２７を有している。上型２５及び下型２６は、スリーブ２７の内部で夫々の成形面が対向するようにスリーブ２７の両端側から嵌挿されている。上型２５は、スリーブ２７の軸方向に摺動可能となっている。また、上型２５の成形面と下型２６の成形面との間には、前述したガラス素材２０が配置されている。なお、上型２５、下型２６、及びスリーブ２７は、例えばタングステンカーバイド（ＷＣ）などの超硬合金を研磨して仕上げられている。
【００１６】
本実施形態では、前述したガラス素材２０として、安価でかつ重量精度の高い円柱形状の市販の光学ガラスを用いた。円柱形状であれば、管理寸法が直径と高さの２つであるため直方体と比較して体積管理が容易なためである。ただし、ガラス素材２０は、円柱形状に限らない。
【００１７】
図２（Ａ）〜（Ｇ）は、ガラス素材２０の外観の一例を示す図である。
図２（Ａ）に示すガラス素材２０１の形状は、直径ａの寸法よりも高さ（辺）ｂの寸法が長い細長い円柱形状である。このガラス素材２０１の辺および直径の中で最短寸法（最小厚み寸法）ｄは、直径ａとなる。
【００１８】
また、図２（Ｂ）に示すガラス素材２０２の形状は、直径ａの寸法よりも高さ（辺）ｂの寸法が短い薄肉の円柱形状である。このガラス素材２０２の辺および直径の中で最短寸法（最小厚み寸法）ｄは、高さｂとなる。
【００１９】
さらに、図２（Ｃ）に示すガラス素材２０３の形状は、直径ａの寸法と高さ（辺）ｂの寸法とが等しい円柱形状である。このガラス素材２０３の辺および直径の中で最短寸法（最小厚み寸法）ｄは、直径ａ，高さｂのどちらに設定しても良い。
【００２０】
図２（Ｄ）に示すガラス素材２０４の形状は、幅（辺）ｅの寸法と奥行き（辺）ｇの寸法とが等しく且つ幅ｅの寸法よりも高さ（辺）ｆの寸法が長い直方体（四角柱形状）である。このガラス素材２０４の辺の中で最短寸法（最小厚み寸法）ｄは、幅ｅ，奥行きｇのどちらに設定しても良い。
【００２１】
また、図２（Ｅ）に示すガラス素材２０５の形状は、幅（辺）ｅの寸法よりも奥行き（辺）ｇの寸法が短く且つ奥行き（辺）ｇの寸法よりも高さ（辺）ｆの寸法が短い直方体（四角柱形状）である。このガラス素材２０５の辺の中で最短寸法（最小厚み寸法）ｄは、高さｆとなる。
【００２２】
さらに、図２（Ｆ）に示すガラス素材２０６の形状は、幅（辺）ｅの寸法と高さ（辺）ｆの寸法と奥行き（辺）ｇの寸法とが全て等しい立方体（キューブ形状）である。このガラス素材２０６の辺の中で最短寸法（最小厚み寸法）ｄは、幅ｅ，高さｆ，奥行きｇのどれに設定しても良い。
【００２３】
図２（Ｇ）に示すガラス素材２０７の形状は、直径ｈの球形状である。このガラス素材２０７の直径の中で最短寸法（最小厚み寸法）ｄは、直径ｈとなる。なお、ガラス素材２０の形状は、多面体形状であってもかまわない。
【００２４】
このような形状のガラス素材２０を、上型２５及び下型２６の成形面間に配置する。本実施の形態では、下型２６上でのガラス素材２０の安定を考えて、ガラス素材２０の円柱形状の平面を下型２６の成形面に載置した。
【００２５】
次に、本実施形態の製造工程を説明する。
図１において、まず成形室１２内を窒素ガス（Ｎ２ガス）で置換するとともに、ガラス素材２０に上型２５の自重以外に荷重を加えないようにエアシリンダ１６を退避させた状態に設定する。
【００２６】
次いで、加熱ヒータ１８に通電して、型セット１４及びガラス素材２０の温度を屈伏点以上かつ軟化点未満となるように等温度に加熱する。
なお、ここで屈伏点とは、例えば熱膨張曲線において、見かけ上、膨張が停止する温度の意味で使用している。これは、およそ１０１０〜１０１１ｄＰａ・ｓの粘度に相当する温度とみなされている。また、軟化点とは、例えばガラスが自重で顕著に軟化変形しはじめる温度の意味で使用しており、およそ１０７．６ｄＰａ・ｓの粘度に相当する温度とみなされている（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｈｏｙａ−ｏｐｔｉｃａｌｗｏｒｌｄ．ｃｏｍ／ｊａｐａｎ／ＰＤ／ｐｄ５＿ｔｅｒｍ／ｔ００４．ｈｔｍｌ）。
【００２７】
このように、加熱ヒータ１８で成形室１２内の雰囲気を加熱することで、温度ムラのないように均等に加熱することができる。なお、成形室１２内の窒素ガスの置換と加熱ヒータ１８への通電の順序は、必要に応じていずれかを先に選択することができる。
【００２８】
ここで、ガラス素材２０の形状が自重で変形したり、上型２５の重みで変形するような高い温度では良好な成形品は得られない。これは、加熱温度が高すぎるとガラス素材２０に温度ムラが発生し易いとともに、ガラス素材２０が軟化したところから先に変形するためガスを閉じ込めてしまい所望の形状が得られないためである。また、同様に、型セット１４とガラス素材２０とが等温度に達した時点で直ちにプレス工程に移行したとしても、良好な成形品を得ることはできない。
【００２９】
その時点では、未だ均熱化が促進されておらず、ガラス素材２０の流動性が全体的に揃っていないためである。
次に、型セット１４とガラス素材２０の温度が等温度に達した後、所定時間Ｔ（ｍｉｎ）以上温度保持する。本実施形態では、このようにガラス素材２０が等温度に達した後に所定時間以上保持することで、ガラス素材２０の良好な流動性を得ることができる（流動性が揃う）。
【００３０】
すなわち、等温度で所定時間以上保持しないと、例えば円柱形状のガラス素材２０の端面の平面部と、これに対向する上型２５の凹状の成形面（図１参照）との間にガス溜りが発生するおそれが生じる。これに対し、所定時間以上の保持時間を設けることでこのガス溜りも発生せず、また低い圧力でプレス成形を行うことができる。
【００３１】
また、前述した所定時間Ｔ（ｍｉｎ）は、ガラス素材２０の最小厚み寸法ｄによって異なる。しかし、実験の結果、表−１に示した所定時間Ｔ（ｍｉｎ）以上保持すればガラス素材２０の流動性に関して良好な結果が得られることがわかった。
【表−１】
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【００３２】
図３は、表−１に示したガラス素材２０の最小厚み寸法ｄ（ｍｍ）と所定時間Ｔ（ｍｉｎ）との関係を図面にしたものである。
この図３から、最小厚み寸法ｄ（ｍｍ）と所定時間Ｔ（ｍｉｎ）との間に以下の関係を導くことができる。すなわち、ガラス素材２０の最小厚み寸法をｄ（ｍｍ）としたときに、所定時間Ｔ（ｍｉｎ）は
Ｔ＝３．４６１５ｄ−４．１０２６の関係を有する。
【００３３】
このように、ガラス素材２０を等温度に加熱した後に所定時間Ｔ以上保持することで、ガラス素材２０の流動性を促進することができる（流動性が揃う）。すなわち、等温度で所定時間Ｔ以上保持すれば、ガラス素材２０の流動性も安定した状態が維持される。
【００３４】
つまり、ガラス素材２０を加熱すると、ガラス素材２０は外周部から内部に向かって熱が伝わっていき、ガラス素材２０の外周部と内部（中心）とで温度差がなくなり、ガラス素材２０の流動性が安定した状態になる。
【００３５】
従って、ガラス素材２０の外周部から内部（中心）へ最も早く熱が伝わる方向に沿った最小厚み寸法ｄがガラス素材２０の流動性を安定した状態にするまでの時間に関係することになる。すなわち、ガラス素材２０の最小厚み寸法ｄが短ければ短いほど、早くガラス素材２０の流動性が安定した状態となることになる。
【００３６】
なお、この所定時間Ｔ（ｍｉｎ）内でもガラス素材２０の流動性はよくなるが、この時点では、ガラス素材２０は上型２５の自重が加わっていてもほとんど変形しないような状態である。
【００３７】
従って、ガラス素材２０の流動性がよくなるまで、この所定時間Ｔ（ｍｉｎ）以上保持した後、エアシリンダ１６により加圧プレート１７を下降させ、ガラス素材２０をプレスして変形させる。これにより、ワレのない良好な光学素子を得ることができる。また、製造される光学素子は研磨工程を必要としない鏡面のものだけではなく、研磨代を設けた光学素子素材を製造する場合にも利用することができる。
【００３８】
なお、本実施の形態では、ガラス素材２０の加熱時に、ガラス素材２０に上型２５の自重が加わっていたが、加圧プレート１７と上型２５とを一体的に連結することで、ガラス素材２０に上型２５の自重が加わらないようにしても良い。こうすることにより、ガラス素材２０の加熱の制御がし易くなる。
【００３９】
図４は、通常のガラス素材２０の加熱温度と成形圧力ならびに保持時間との関係（比較例）を示す図である。また、図５は、本実施形態によるガラス素材２０の加熱温度と成形圧力ならびに保持時間との関係を示す図である。
【００４０】
図４の比較例では、ガラス素材２０が設定温度になった後、Ｔ１時間保持してからサイクルタイムを短くするために直ちに成形圧力Ｐ１で成形を行っている。これに対し、図５によれば、ガラス素材２０が設定温度になった後、比較的長いＴ２時間保持してから成形圧力Ｐ２で成形を行っている。
【００４１】
比較例のＴ１時間は、ガラス素材２０の温度が設定温度になるまで待つ時間である。これに対し、本実施形態のＴ２時間は、ガラス素材２０の流動性がよくなるまで待つための時間であり、前述した所定時間Ｔ（ｍｉｎ）以上の保持時間に相当する。
【００４２】
しかも、比較例では、最初は高い成形圧力Ｐ１で成形した後、次に低い圧力Ｐ１’で成形している。このため、ガラス素材２０を高い成形圧力Ｐ１で成形する際にワレや歪が発生するおそれがある。これに対し、本実施形態では、Ｔ１時間よりも長いＴ２時間保持してから成形圧力Ｐ１よりも低い一定の成形圧力Ｐ２で成形している。しかも、成形圧力Ｐ２は成形圧力Ｐ１の１／１０以下であった。
【００４３】
なお、図４及び図５において、加熱温度が低下してからもなお成形圧力を付与しているのは、ある程度ガラス素材２０の形状が決まるまでプレス状態を維持するためである。
図５によれば、ガラス素材２０を等温度に加熱した後、ある程度長い保持時間（Ｔ２）後に成形すれば、低い圧力（Ｐ２）で成形できることがわかる。
【００４４】
なお、図１に示した１個取りの装置構成では、前述した所定時間（Ｔｍｉｎ）以上の保持時間が長くなり、成形サイクルタイムに影響する。このため、一度に多数個の成形ができる装置を用いたり、又は、成形のインターバルに合わせて複数個の型セット１４を予備加熱しておき、所定時間（Ｔｍｉｎ）以上の保持時間終了とともに順次成形する構成をとることで、効率よく成形を行うことができる。
【００４５】
本実施形態によれば、型セット１４とガラス素材２０の温度を屈伏点以上かつ軟化点未満となるように等温度に加熱し、その温度で所定時間Ｔｍｉｎ以上保持することで、ガラス素材２０に高い流動性を持たせて低い圧力でガラス素材２０を成形することができる。これにより、低圧で複雑な変形を素材の偏りを抑えて行うことができるとともに、高圧での成形で発生するワレや内部歪のない良好な光学素子を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】光学素子の製造装置の全体構成を示す図である。
【図２】（Ａ）〜（Ｇ）は、夫々ガラス素材の外観を示す図である。
【図３】ガラス素材の肉厚と所定時間との関係をグラフにした図である。
【図４】通常のガラス素材の加熱温度と成形圧力ならびに保持時間との関係（比較例）を示す図である。
【図５】本実施形態によるガラス素材の加熱温度と成形圧力ならびに保持時間との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００４７】
１０      光学素子の製造装置
１１      筐体
１２      成形室
１４      型セット
１５      プレス機構
１６      エアシリンダ
１６ａ    作動ロッド
１７      加圧プレート
１８      加熱ヒータ
２０      ガラス素材
２０１〜２０６    ガラス素材
２２      ガス導入口
２３      ガス排出口
２５      上型
２６      下型
２７      スリーブ
【図２】
2010105830.tif 000004
【図３】
2010105830.tif 000005
【図４】
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【図５】
2010105830.tif 000007
【図１】
2010105830.tif 000008